双端音叉三维谐振触发探头系统及其真三维测量方法

摘要

本发明公开了一种双端音叉三维谐振触发探头系统及其真三维测量方法，由支承架、转接件、双端音叉和光纤微探球构成。支承架用于固定整个测头机构。转接件分别固定于支承架下方的两端，用于连接支承架及双端音叉。双端音叉同时作为悬臂梁和微力传感器，其下叉臂正中间下方固定设置一体式光纤微探球。本发明方法设置双端音叉带动的一体式光纤微探球在Z方向上与试样以轻敲模式接触，在X、Y方向上与试样以摩擦模式接触，检测双端音叉谐振信号的变化作为反馈量表征一体式光纤微探球与试样表面的碰触程度，实现对试样的真三维测量。本发明可实现对柔软材料等的精确触发定位和低破坏性测量，并可用于对微内孔试样内壁的高精度真三维测量。

说明书

技术领域

本发明涉及微纳米测头领域，具体是一种双端音叉三维谐振触发探头系统及 其真三维测量方法。

背景技术

纳米测量技术是纳米科学技术的基础学科之一，超精加工和超微加工进入纳 米技术的新时代，对微型光学器件、MEMS等微纳米结构的真三维测量要求达 到纳米、亚纳米量级，测量力达到微牛甚至纳牛量级，但目前商用CMM测量精 度不高，且所用三维测头的微探球直径较大，无法探测特征尺寸很小的微型器件。 三维触发定位技术作为微纳三维测量技术的核心，纳米量级的三维触发定位分辨 率是实现微器件等真三维纳米测量的基础。高分辨率对应于高灵敏度，即要求微 纳米测头系统应具有较高品质因数，同时测头系统的稳定性，包括结构稳定性和 测量过程稳定性，是实现有效测量的必要因素。

鉴于在数百微米至数毫米尺度间三维测量技术的空白，近年来国内外一些著 名研究机构都致力于微纳米三维测量技术及微纳米三维测头的开发，取得了一定 进展，目前还没有成熟的技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种双端音叉三维谐振触发探头系统及其真三维测量 方法，以解决现有技术三维测量存在的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

双端音叉三维谐振触发探头系统，其特征在于：包括有支承架，支承架底部 架面连接有两个完全相同位置对称的转接件，还包括有双端音叉，所述双端音叉 由两个叉端和连接两个叉端的叉臂对构成，双端音叉的两个叉端一一对应连接在 转接件底面，叉臂对中两个叉臂分别平行于支承架底部架面并沿竖向并行设置， 叉臂对中位于下方的叉臂正中间底面固定有一体式光纤微探球。

所述的双端音叉三维谐振触发探头系统，其特征在于：所述双端音叉的叉臂 对上设置有电极，通过电极激励双端音叉带动光纤微探球谐振。

所述的双端音叉三维谐振触发探头系统，其特征在于：光纤微探球基于光纤 拉锥技术和光纤熔融烧球技术制备而成。

所述的双端音叉三维谐振触发探头系统，其特征在于：双端音叉的振动方式 为，在电极的激励下两个叉臂在平面内沿宽度方向反相弯曲振动。

所述的双端音叉三维谐振触发探头系统，其特征在于：双端音叉由石英晶体 制备，切型选择与振动模式及工作频率相关，弯曲振动模式下XY切型对应频率 范围1～80KHz，NT切型对应频率范围40～100KHz；所述双端音叉叉臂长度沿石 英晶体y轴方向，宽度沿石英晶体x方向，厚度沿石英晶体z轴方向，即采用(zyw) 5°切型切角结构。

所述的双端音叉三维谐振触发探头系统，其特征在于：双端音叉的谐振频率 与其几何尺寸相关，即可通过改变叉臂的长度、宽度、厚度调节双端音叉的谐振 频率及力频系数，所述双端音叉谐振频率以及力频系数与其几何尺寸的相关关系 式分别为：$f=\frac{m^{2}w}{2\pi l^2}\sqrt{\frac{1}{12\rho s_{22}^{\prime }}},S=0.0717\left(\frac{l^2{s}_{22}^{\prime }}{{\mathrm{tw}}^3}\right),$其中f为双端音叉的基 频，S为其力频系数，l、w、t分别为两个叉臂的长度、宽度、厚度，m为与边 比有关的系数，ρ为石英材料的密度，s′₂₂为石英的弹性柔顺常数。

所述的双端音叉三维谐振触发探头系统，其特征在于：双端音叉两个叉臂上 电极的设置采用叉臂四周被电极方式，使沿两个叉臂宽度方向产生两个大小相 等、方向相反的电场。

一种双端音叉三维谐振触发探头系统的真三维测量方法，其特征在于：通过 叉臂四周被电极方式设置电极，激励双端音叉两个叉臂平面内沿宽度方向反相弯 曲振动，带动一体式光纤微探球面内谐振；设置所述双端音叉带动的一体式光纤 微探球在竖直Z方向上与试样以轻敲模式接触，在水平面内X、Y方向上与试样 以摩擦模式接触；检测双端音叉谐振信号的变化以表征所述光纤微探球与试样表 面的碰触程度。

所述的真三维测量方法，其特征在于：所述双端音叉对轴向力极为敏感，故 双端音叉三维谐振触发探头系统在X向具有更高触发灵敏度。

所述的真三维测量方法，其特征在于：所述谐振信号为双端音叉的谐振频率 或谐振相位。

本发明利用石英晶体的压电效应、双端音叉的结构对称性和高品质因数特 性、谐振状态物体对微小外力的高敏感特性，制备石英晶体材料的双端音叉，与 一体式光纤微探球结合，构建三维谐振触发探头系统。通过叉臂四周设置电极激 励测头达到谐振状态，在Z向以轻敲模式与试样表面轻触，在X、Y向以摩擦模 式与试样表面接触。通过检测双端音叉的谐振信号(谐振频率或谐振相位)的变 化表征一体式光纤微探球与试样表面的碰触程度，实现三维谐振触发定位，并最 终对试样实现真三维测量。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明采用双端音叉同时作为简支梁和微力传感器，并将一体式光纤微 探球固定设置于双端音叉下叉臂的正中间下方，避免了结构不对称造成的能量泄 露、品质因数降低等问题，保证了结构的对称性、系统稳定性及紧凑性。

2、本发明采用的双端音叉，其谐振频率与自身几何尺寸相关，即可通过改 变叉臂的长度、宽度、厚度调节双端音叉的谐振频率及力频系数，使测头系统可 满足可能的应用场合特定频率要求，具有灵活性。

3、本发明的测量方法是采用叉臂四周被电极方式设置电极，激励双端音叉 两个叉臂沿宽度方向反相弯曲振动，两个叉臂在它们的合并区域产生的应力和力 矩方向相反,互相抵消,因此整个结构通过固定连接端与外界的能量耦合小,振 动系统的能量损失小,具有较高的品质因数，保证了测头系统在谐振状态下对微 小外力的高灵敏性，即保证了三维方向上的高触发定位分辨率，最终实现对试样 的高分辨率真三维测量。且这种谐振结构自身具有减振特性,不需要额外设置隔 振结构。

4、本发明采用检测谐振状态测头与试样表面轻触过程双端音叉的谐振信号 (谐振频率或谐振相位)的变化作为反馈量，省去了A/D转换环节，后续信号 处理部分大大简化，使测头系统功能具有易实现性。

5、本发明测头系统工作于谐振状态，对微小外力极为敏感，且在Z向以轻 敲模式与试样表面轻触，在X、Y向以摩擦模式与试样表面接触。根据相关预研 部分实验，在三维方向上的测量力均低至纳牛量级，可实现对柔软材料的低破坏 性测量。

6、本发明采用基于光纤拉锥技术和光纤熔融烧球技术制备的一体式光纤微 探球，球头直径大大减小，且具备高质量几何参数。可实现对微内孔试样内壁的 高精度真三维测量。

7、本发明采用的双端音叉理论上具有基频、二次泛音、三次泛音振动模态， 其中二次泛音振动模态下，采用本发明设计的结构，此时一体式光纤微探球处于 二次振型的零位移点，可用于特定场合实现接触式测量。

附图说明

图1为本发明整个系统结构工作示意图，其中：

图1a为本发明整个系统结构Z向工作示意图，图1b为本发明整个系统结构 X向工作示意图，图1c为本发明整个系统结构Y向工作示意图。

图2为本发明双端音叉石英晶片切型方位示意图。

图3为本发明双端音叉外观示意图。

图4为本发明双端音叉基频谐振振动模态示意图。

图5为本发明测头系统谐振状态频率及与试样轻触时频率偏移示意图。

图6为本发明双端音叉二次泛音振动模态示意图。

具体实施方式

如图1所示，双端音叉三维谐振触发探头系统，包括有支承架1，支承架1 底部架面连接有两个完全相同位置对称的转接件2，还包括有双端音叉3，双端 音叉3由两个叉端31和连接两个叉端31的叉臂对构成，双端音叉3的两个叉端 31一一对应连接在转接件2底面，叉臂对中两个叉臂32分别平行于支承架1底 部架面并沿竖向并行设置，叉臂对中位于下方的叉臂正中间底面固定有一体式光 纤微探球4。

双端音叉1的叉臂对上设置有电极5，通过电极5激励双端音叉1带动光纤 微探球4谐振。

光纤微探球4基于光纤拉锥技术和光纤熔融烧球技术制备而成，其制备过程 在专利号为201310103500.3、公开号为CN103197380A的专利“一种基于光纤 拉锥技术的接触式光纤微探头的制备方法”中已有记载。光纤拉锥技术过程为： 将一对除去涂覆层的单模光纤分置于两移动平台上，令两移动平台相向滑动至两 光纤端头靠拢并接触，采用酒精灯加热使两光纤熔融为一体，再使移动平台反向 快速移动以拉伸熔融单模光纤，并在相互熔融的部分形成具有双锥体结构的两光 纤锥。所述光纤熔融烧球技术制备过程为：由旋转光纤夹具夹持固定拉锥后得到 的光纤锥，利用微动三维平台调整旋转光纤夹具，使光纤准确放入光纤熔接机的 V型定位槽中，并将光纤被拉锥部分置于光纤熔接机的放电区域内，利用光纤熔 接机的放电电极电火花放电熔融光纤锥以进行初步烧制和优化烧制。

双端音叉3的振动方式为，在电极5的激励下两个叉臂32在平面内沿宽度 方向反相弯曲振动。

双端音叉3由石英晶体制备，切型选择与振动模式及工作频率相关，弯曲振 动模式下XY切型对应频率范围1～80KHz，NT切型对应频率范围40～100KHz； 所述双端音叉3叉臂长度沿石英晶体y轴方向，宽度沿石英晶体x方向，厚度沿 石英晶体z轴方向，即采用(zyw)5°切型切角结构，如图2所示。

双端音叉3的谐振频率与其几何尺寸相关，即可通过改变叉臂32的长度、 宽度、厚度调节双端音叉3的谐振频率及力频系数。所述双端音叉3谐振频率以 及力频系数与其几何尺寸的相关关系式分别为：其中f为双端音叉3的基频，S为其力频系数，l、w、t分 别为两个叉臂32的长度、宽度、厚度，m为与边比有关的系数，ρ为石英材料 的密度，s′₂₂为石英的弹性柔顺常数。

双端音叉3两个叉臂32上电极5的设置采用叉臂四周被电极方式，且使沿 两个叉臂32宽度方向产生两个大小相等、方向相反的电场。

一种基于双端音叉三维谐振触发探头系统的真三维测量方法，通过叉臂32 四周被电极方式设置电极5，激励双端音叉3两个叉臂32沿宽度方向反相弯曲 振动，带动一体式光纤微探球4面内谐振；设置双端音叉3带动的一体式光纤微 探球4在竖直Z方向上与试样6以轻敲模式接触，在水平面内X、Y方向上与试 样6以摩擦模式接触；检测双端音叉3谐振信号7的变化以表征光纤微探球4 与试样6表面的碰触程度。

双端音叉3对轴向力极为敏感，故双端音叉3三维谐振触发探头系统在X 向具有更高触发灵敏度。

谐振信号7为双端音叉3的谐振频率或谐振相位。

参见图1a、1b、1c，本发明双端音叉三维谐振触发探头系统主要由支承架1、 转接件2、双端音叉3和一体式光纤微探球4构成。支承架1为整个三维谐振触 发探头系统的刚性支承件，用于固定整个测头机构。两个完全相同的转接件2 分别固定于支承架1下方的两端，用于连接支承架1及双端音叉3，并保证支承 架1与双端音叉3之间有一定的空间裕量。其中双端音叉3由一定切型的石英晶 体制备而成，同时作为悬臂梁和微力传感器。参见图2，设置双端音叉3叉臂32 长度沿石英晶体y轴方向，宽度沿石英晶体x方向，厚度沿石英晶体z轴方向， 晶片绕宽度沿逆时针方向旋转即双端音叉3采用(zyw)5°切型切角结构石英 晶体制备而成。参见图3，双端音叉3的叉臂32长度、宽度、厚度分别为l、w、 t。双端音叉3中位于下方的叉臂正中间底面固定设置基于光纤拉锥技术和光纤 熔融烧球技术制备而成的一体式光纤微探球4。以四周被电极方式在双端音叉3 上放置电极5，激励双端音叉3两个叉臂32在平面内沿宽度方向反相振动，并 带动光纤微探球4面内谐振。参见图4，为本发明双端音叉三维谐振触发探头系 统主诉以基频谐振振动示意图。

一种基于双端音叉三维谐振触发探头系统的真三维测量方法如下：

水平放置试样6。通过在两个叉臂32四周电极5，激励双端音叉3两个叉臂 32平面内沿宽度方向反相振动，带动一体式光纤微探球4以一定幅值面内自由 谐振。参见图1a，设置双端音叉3带动的一体式光纤微探球4在Z方向上与试 样6以轻敲模式接触；参见图1b、图1c，设置所述双端音叉3带动的一体式光 纤微探球4在X方向、Y方向上与试样6以摩擦模式接触。根据谐振状态测头对 微小外力的高灵敏特性，当所述一体式光纤微探球4与试样6表面发生轻触，由 于光纤微探球4与试样6接触表面之间的微观力场作用，导致测头系统的谐振信 号7改变，即谐振频率及谐振相位的偏移。参见图5，测头系统谐振状态频率及 与试样轻触时频率偏移示意图，当一体式光纤微探球4与试样6表面之间的微观 力场进入引力区域，谐振频率左移，由自由谐振频率ω₀减小为ω₁，当一体式光 纤微探球4球端与试样6表面之间的微观力场进入斥力区域，谐振频率右移，由 自由谐振频率ω₀增大为ω₂。故检测双端音叉3谐振信号7的变化作为反馈量， 以表征光纤微探球4与试样6表面的碰触程度，结合后续信号处理电路及控制系 统，实现对试样的高精度三维触发定位，并最终实现对试样的真三维测量。

参见图1b，X方向设置为水平面内横向方向。根据双端音叉3的物理特性， 其对轴向力极为敏感，即三维测头系统工作于X方向时，表现出对微小外力更 高的灵敏性，故三维谐振触发探头系统在X向具有更高触发灵敏度。

本发明采用的双端音叉理论上具有基频、二次泛音、三次泛音振动模态， 本发明双端音叉三维谐振触发探头系统主诉基于基频的真三维测量。参见图4， 二次泛音振动模态下，采用本发明设计的结构，通过适当设置电极5激励所述双 端音叉3两个叉臂32以二次泛音模态平面内反相振动，带动光纤微探球4平面 内二阶谐振，此时一体式光纤微探球处于二次振型的零位移点，可用于特定场合 实现接触式测量。